重件码头悬臂式吊车梁数值分析

黄亚栋，胡友安，罗家安，张鹏飞

（1.湖北省交通规划设计院，湖北　武汉　430051；2.河海大学，江苏　常州　213022）

重件码头悬臂式吊车梁数值分析

黄亚栋1，胡友安2，罗家安1，张鹏飞1

（1.湖北省交通规划设计院，湖北武汉430051；2.河海大学，江苏常州213022）

吊车梁结构是桥机墩式码头的重要组成部分，其设计是否合理，直接影响到桥式起重机的整体工作性能。与简支式吊车梁结构相比，设计规范对于悬臂式吊车梁的要求更加严格。文章以湖北某重件码头的悬臂式吊车梁结构为研究对象，进行截面形式的选择和强度、刚度、震动特性的分析，研究成果可为该类型码头的设计提供参考。

重件码头；桥机墩式码头；吊车梁；模态分析

桥机墩式码头由于其能够满足我国内河水位差较大的特点，在我国长江、澜沧江等南方流域得到了广泛的应用。

桥机墩式码头使用桥式起重机完成货物在船舶与港口之间的装卸，具有结构简单、通用性强和安全性高等特点。

根据资料统计，现有的桥机墩式码头大多采用简支式结构，船舶采用穿裆式靠离泊作业，采用该种方式吊车梁结构设计简单，但需要在水中设置支承墩，因此可能会占用主航道。

湖北拟建设1座重件码头，最大额定起重量为500 t，为了尽可能少占用长江主航道，桥式起重机采用悬臂式吊车梁结构，悬臂长度为28 m，该码头建好后，将成为长江上悬臂长度最大的桥机墩式码头。

本文结合该项目，并参考现有的桥机墩式码头吊车梁结构形式，对悬臂式吊车梁结构进行设计研究。

1　设计方案

吊车梁由1榀连续梁、1榀简支梁和1榀带悬臂的简支梁组成，如图1所示。其中连续梁布置在靠江侧，采用桁架结构，由28 m长的悬臂段、43 m长的简支跨和40 m长的简支跨组成。吊车梁（以下亦称主梁）、立柱通过4根斜拉杆和1根上弦杆连接，可有效减小主梁悬臂端的竖直挠度。两侧主梁、立柱通过平联桁架连接，使两侧主梁结构变形尽量保持一致，有效减小了左右主梁由于竖直方向变形不一致而引起的高度差。本文以江侧的连续梁结构为研究对象。

图1　悬臂式吊车梁重件码头结构示意图Fig.1　Structure of heavy cargo wharf with cantilever crane beam

2　主梁截面形式的选择

针对采用的桥机墩式码头吊车梁结构，计算了2种主梁截面形式结构:方案一，轨道放置在主梁正中间，立柱、斜拉杆和上弦杆布置在主梁的侧面，主梁截面见图2；方案二，轨道采取偏心布置，立柱、斜拉杆和上弦杆布置在主梁的正上方，主梁截面见图3。

图3　方案二主梁截面图Fig.3　The main girder section of scheme 2

根据JTS 167-1—2010《高桩码头设计与施工规范》[1]，简支跨跨中最大挠度不应超过跨度的1/750，伸臂端部最大挠度不应超过伸臂长度的1/375，同时在偏载情况下，两侧主梁挠度差应满足小于10 mm的要求。此外《高桩码头设计与施工规范》中还规定当桥式起重机在伸臂端部极限位置时，梁的另一端支座不产生拉力[1-2]。两方案吊车梁计算结果如表1所示。

表1　两种主梁截面结构计算结果Table 1　Calculation results of two main girder section structures

方案二是参考国内现有的悬臂式吊车梁结构，采用了立柱、斜拉杆、上弦杆组合而成的桁架结构形式，是在现有工程的悬臂式吊车梁结构基础上进行改进和创新后得到的设计结果，采用该种结构可以大大减小悬臂端的挠度值和两侧主梁的挠度差值，虽然支座产生了少量的拉力，但是可以通过配重来解决。

3　吊车梁结构的数值计算

3.1有限元计算模型

采用有限元软件ANSYS，建立吊车梁结构的有限元模型如图4所示，整个吊车梁结构通过支座固定在桥墩3、桥墩4和桥墩5共6个桥墩上，其中，在桥墩3和桥墩5位置的主梁底板上各设计2个盆式橡胶支座，在桥墩4位置的主梁底部设计2个铰支座，防止主梁发生X方向（沿着轨道方向）的移动。同时为了防止主梁发生Z方向（吊车梁结构横向方向）的侧向移动和侧向扭转，在3个桥墩位置的主梁外侧腹板上各设计上下2个侧向铰支座。

图4　吊车梁结构有限元模型Fig.4　The finite element model of crane beam structure

3.2计算荷载

500 t桥式起重机轨距52.0 m，轮数32个，其单侧轮压布置如图5所示，考虑到桥式起重机上2小车的偏心起吊，在允许作业工况下，两榀吊车梁分别承受大车运行机构最大动轮压为Pmax= 376.5 kN，最小轮压为Pmin=259.7 kN。

图5　桥式起重机单侧轮压布置图Fig.5　Layout of unilateral wheel-pressure of bridge crane

3.3挠度计算结果

吊车梁结构的整体挠度计算结果见表1中方案二。起重机轨道采取偏心布置，轨道布置在主梁内侧的支撑板上（见图3），大车运行时，主梁会受到轮压产生的扭矩而发生扭转变形，因此需要分析主梁扭转的情况。大车运行到悬臂端部和43 m跨中位置时主梁Z方向位移情况如图6和图7所示。

图6　大轮压侧主梁截面Z方向位移云图Fig.6　Displacement nephogram of main girder section of bull wheel-pressure at Z-direction

主梁截面的扭转情况可以主梁截面Z方向最大位移和最小位移之差来比较，通过计算，在大车运行到主梁端部时，其Z方向位移差为11.332 mm，在大车运行到43 m跨中位置时，其Z方向位移差为5.259 mm，主梁截面的扭转在运行范围内，可以满足运行要求。

图7　小轮压侧主梁截面Z方向位移云图Fig.7　Displacement nephogram of main girder section of small wheel-pressure at Z-direction

3.4强度计算结果

吊车梁结构材料为Q345，要求大车运行到各位置时，吊车梁结构的最大等效应力小于容许应力[σ]=310 MPa。计算得到大车运行机构运行到各位置时，吊车梁结构应力分布见图8，最大等效应力如表2所示。

图8　吊车梁整体结构应力云图Fig.8　Stress nephogram of integral crane beam structure

表2　吊车梁应力计算结果Table 2　Stress calculation results of crane beam MPa

由计算结果可知，当大车位于悬臂段极限位置时，吊车梁结构的应力最大，最大等效应力为238 MPa，小于容许应力值310 MPa，满足强度设计要求。

3.5模态分析计算结果

对吊车梁结构进行模态分析，主要是为了得到吊车梁结构的固有振动频率和振型，假设吊车梁结构在无阻尼自由振动状态下进行计算。按照GB/T 3811—2008《起重机设计规范》和GB/T 14405—2011《通用桥式起重机》中对桥式起重机动态刚度的要求，当满载小车位于主梁跨中位置时结构的垂直振动频率不低于2 Hz[3-4]。

当大车运行机构位于悬臂段位置时，计算得到吊车梁结构的自振特性如表3所示，在第二阶和第三阶振型中均有悬臂段垂直方向的振动，第二阶自振频率为2.37 Hz，第三阶自振频率为2.62 Hz，均大于2 Hz，满足规范要求。

表3　大车位于悬臂段时结构自振特性Table 3　The structure natural vibration characteristics when the cargo in the cantilever section

当大车运行机构位于43 m跨中位置时，计算得到吊车梁结构的自振特性如表4所示，在第二阶振型中有悬臂段垂直方向的振动，第六阶振型中有43 m跨中位置垂直方向的振动，第六阶自振频率为3.73 Hz，大于2 Hz，满足规范要求。

表4　大车位于43 m跨中位置时结构自振特性Table 4　The structure natural vibration characteristicswhen the cargo in the 43 m midspan

4　结语

使用有限元软件ANSYS对重件码头悬臂式吊车梁结构进行有限元分析，研究结构的支座反力、强度、刚度以及设计细节，确保结构设计满足规范要求；对吊车梁结构进行模态分析，得到结构的自振频率和振型，确保主梁的动态刚度满足桥式起重机的设计规范要求。本文的研究成果可为吊车梁结构的设计提供参考。

[1]JTS 167-1—2010，高桩码头设计与施工规范[S]. JTS 167-1—2010,Design and construction code for open type wharf on piles[S].

[2]张质文，王金诺，程文明，等.起重机设计手册[M].北京:中国铁道出版社，2013. ZHANG Zhi-wen,WANG Jin-nuo,CHENG Wen-ming,et al. Crane designmanual[M].Beijing:ChinaRailwayPublishing House,2013.

[3]GB/T 3811—2008，起重机设计规范[S]. GB/T 3811—2008,Design rules for cranes[S].

[4]GB/T 14405—2011，通用桥式起重机[S]. GB/T 14405—2011,Bridge crane for general purpose[S].

Numerical analysis of cantilever crane beam in a heavy cargo wharf

HUANG Ya-dong1,HU You-an2,LUO Jia-an1,ZHANG Peng-fei1
（1.Communications Planning&Design Institute of Hubei Province,Wuhan,Hubei 430051,China; 2.Hohai University,Changzhou,Jiangsu 213022,China）

The crane beam structure is an important part of bridge crane dolphin wharf.The rationality of its structure will directly affect the whole work performance of bridge crane.Compared with the simply supported crane beam structure,the design specification for the structures of cantilever crane beam has more stringent requirements.With the background of the cantilever crane beam structure used in a heavy cargo wharf in Hubei,we analyzed the selection of section type and the characteristics of strength,stiffness,and vibration.The results can provide references for the design of the heavy cargo wharf.

heavy cargo wharf;bridge crane dolphin wharf;crane beam;modal analysis

U656.1

A

2095-7874（2016）02-0038-04

10.7640/zggwjs201602009

2015-11-21

黄亚栋（1984— ），男，湖北武汉市人，硕士，工程师，港口与航道工程勘察设计专业。E-mail:283683453@qq.com